Künftige Elektrofahrzeuge sollen mit einer Batterieladung bis zu 700 Kilometer weit fahren, Smartphones deutlich seltener aufgeladen werden. Mit diesem Ziel vor Augen wollen deutsche Wissenschaftler nun in der „Forschungsfabrik Batterie“ neuartige Batterien entwickeln, die bei gleichem Volumen mindestens 70 Prozent mehr Energie für Elektrofahrzeuge und Smartphones speichern können als herkömmliche Lithium-Ionen-Lösungen.
Im Teil-Projekt „Kasili“ (Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) steuern Experten aus Dresden Schlüsselkomponenten für diese neue Batterie-Generation bei.
Quantensprung für die Batterietechnik
Die Forscher von Fraunhofer, TU Dresden und Leibniz arbeiten dafür seit dem 1. November 2019 gemeinsam an innovativen Batterie-Elektroden mit hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten. Die Federführung hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) übernommen.
Durch die neuen Elektroden bahne sich „ein Quantensprung für die Batterietechnik an“, schätzte IWS-Chef Prof. Christoph Leyens ein. „Diese disruptive Technologie hat das Potenzial, den Standort Deutschland deutlich voranzubringen“, meint auch Chemie-Professor Stefan Kaskel von der TU Dresden.
In der langen Wertschöpfungskette von der Batteriezelle bis zum fertigen Elektroauto könne die deutsche Wirtschaft so deutlich an Gewicht gewinnen. „Letztlich wollen wir eine moderne Batteriezellen-Produktion in Deutschland etablieren. Dadurch wären wir bei der Wende hin zu Elektromobilität und zu erneuerbaren Energien weniger als bisher von Zulieferungen aus Fernost oder den USA abhängig.“
E-Mobilität im Aufwind
Um dies zu erreichen, entwickeln die Dresdner neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden. Die werden in den kleinsten Energiespeicher-Einheiten eines Akkumulators gebraucht, die heute meist als Batteriezellen bezeichnet werden. Wichtige Bauteile in solch einer Zelle sind Anode und Kathode. Zwischen diesen beiden Polen wandern die elektrischen Ladungsträger hin und her, wenn eine Batterie geladen wird oder wenn sie gerade Strom für den Elektromotor in einem E-Auto liefert. Heute besteht die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 Mikrometer dicken Graphitschicht bedeckt ist.
Als ob die Elektrode atmen würde
Diese Kohlenstoff-Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Ebenen aus Silizium oder Lithium ersetzen. Diese sollen dann nur noch rund zehn bis 30 Mikrometer messen. Im Labor funktioniert das auch schon recht gut und sorgt bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen. „Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wattstunden pro Kilogramm beziehungsweise bis 670 Wattstunden pro Liter“, erklärt Stefan Kaskel. „Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1000 Wattstunden pro Liter kommen“.
Auf dem Weg dahin müssen die Entwickler allerdings nicht nur die Chemie und die Beschichtungsprozesse für ihre Zellen weiter verbessern, sondern auch ein mechanisches Problem lösen: Unter dem Mikroskop hat sich gezeigt, dass die mit Silizium oder Lithium dünn beschichteten Elektroden immer wieder schrumpfen und sich ausdehnen, wenn die Batterien aufgeladen oder entladen werden – als ob die Zelle atmen würde. Diese „Atmung“ kann Batteriezellen rasch zerstören.
Daher experimentieren die Forscher nun auch mit winzig kleinen Silizium-Federn für die Kathode: Auch dies könne „wesentlich zu einer höheren Energiedichte der neuen Batteriegeneration beitragen“, betonte Dr. Kristian Nikolowski vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologen und Systeme (IKTS) in Dresden.
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Von Heiko Weckbrodt
